Nitơ

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

7	cacbon ← nitơ → ôxy
↑ N ↓ P
	Bảng đầy đủ

Tổng quát

Tên, Ký hiệu, Số

nitơ, N, 7

Phân loại

phi kim

Nhóm, Chu kỳ, Khối

15, 2, p

Khối lượng riêng, Độ cứng

1,251 kg/m³, ?

Bề ngoài

khí không màu

Tính chất nguyên tử

Khối lượng nguyên tử

14,0067(2) đ.v.

Bán kính nguyên tử (calc.)

65 (56) pm

Bán kính cộng hoá trị

75 pm

Bán kính van der Waals

155 pm

Cấu hình electron

[He]2s²2p³

e^- trên mức năng lượng

2, 5

Trạng thái ôxi hóa (Ôxít)

±3, 5, 4, 2 (axít mạnh)

Cấu trúc tinh thể

lục giác

Tính chất vật lý

Trạng thái vật chất

Khí

Điểm nóng chảy

63,15 K (-346 °F)

Điểm sôi

77,36 K (-320,42 °F)

Thứ tự hiện tượng từ

không số liệu

Thể tích phân tử

? ×10^-6 m³/mol

Nhiệt bay hơi

5,57 kJ/mol

Nhiệt nóng chảy

0,720 kJ/mol

Áp suất hơi

100.000 Pa tại 77 K

Vận tốc âm thanh

353 m/s tại 300 K

Linh tinh

Độ âm điện

3,04 (thang Pauling)

Nhiệt dung riêng

1039 J/(kg·K)

Độ dẫn điện

? /Ω·m

Độ dẫn nhiệt

0,02583 W/(m·K)

Năng lượng ion hóa

1.402,3 kJ/mol
2.856 kJ/mol
4.578,1 kJ/mol

Chất đồng vị ổn định nhất

Tiêu bản:Đồng vị N

Đơn vị SI và STP được dùng trừ khi có ghi chú.

Nitơ là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn các nguyên tố có ký hiệu N và số nguyên tử bằng 7. Ở điều kiện bình thường nó là một chất khí không màu, không mùi, không vị và khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử N₂, còn gọi là đạm khí. Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất và là thành phần của mọi cơ thể sống. Nitơ tạo ra nhiều hợp chất quan trọng như các axít amin, amôniắc, axít nitric và các xyanua.

Mục lục

1 Các đặc trưng nổi bật
2 Ứng dụng
- 2.1 Hợp chất nitơ
- 2.2 Nitơ phân tử (khí và lỏng)
3 Lịch sử
4 Sự phổ biến
5 Các hợp chất
6 Vai trò sinh học
7 Đồng vị
8 Phòng ngừa
9 Xem thêm
10 Tham khảo
11 Liên kết ngoài

[sửa] Các đặc trưng nổi bật

Nitơ là một phi kim, với độ âm điện là 3,0. Nó có 5 điện tử trên lớp ngoài cùng, vì thế thường thì nó có hóa trị ba trong phần lớn các hợp chất. Nitơ tinh khiết là một chất khí ở dạng phân tử không màu và không tham gia phản ứng hóa học ở nhiệt độ phòng. Nó hóa lỏng ở nhiệt độ 77 K (-196°C) trong điều kiện áp suất khí quyển và đóng băng ở 63 K (-210°C). Nitơ lỏng là chất làm lạnh phổ biến.

[sửa] Ứng dụng

[sửa] Hợp chất nitơ

Phân tử nitơ trong khí quyển là tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên nó bị chuyển hóa rất chậm thành các hợp chất có ích về mặt sinh học và công nghiệp nhờ một số cơ thể sống, chủ yếu là các vi khuẩn (xem Vai trò sinh học dưới đây). Khả năng kết hợp hay cố định nitơ là đặc trưng quan trọng của công nghiệp hóa chất hiện đại, trong đó nitơ (cùng với khí thiên nhiên) được chuyển hóa thành amôniắc (thông qua phương pháp Haber). Amôniắc, trong lượt của mình, có thể được sử dụng trực tiếp (chủ yếu như là phân bón), hay làm nguyên liệu cho nhiều hóa chất quan trọng khác, bao gồm thuốc nổ, chủ yếu thông qua việc sản xuất axít nitric theo phương pháp Ostwald.

Các muối của axít nitric bao gồm nhiều hợp chất quan trọng như xanpet (hay diêm tiêu- trong lịch sử nhân loại nó là quan trọng do được sử dụng để làm thuốc súng) và nitrat amôni, một phân bón hóa học quan trọng. Các hợp chất nitrat hữu cơ khác, chẳng hạn nitrôglyxêrin và trinitrôtôluen (tức TNT), được sử dụng làm thuốc nổ. Axít nitric được sử dụng làm chất ôxi hóa trong các tên lửa dùng nhiên liệu lỏng. Hiđrazin và các dẫn xuất của nó được sử dụng làm nhiên liệu cho các tên lửa.

[sửa] Nitơ phân tử (khí và lỏng)

Nitơ dạng khí được sản xuất nhanh chóng bằng cách cho nitơ lỏng (xem dưới đây) ấm lên và bay hơi. Nó có nhiều ứng dụng, bao gồm cả việc phục vụ như là sự thay thế trơ hơn cho không khí khi mà sự ôxi hóa là không mong muốn;

để bảo quản tính tươi của thực phẩm đóng gói hay dạng rời (bằng việc làm chậm sự ôi thiu và các dạng tổn thất khác gây ra bởi sự ôxi hóa)
trên đỉnh của chất nổ lỏng để đảm bảo an toàn

Nó cũng được sử dụng trong:

sản xuất các linh kiện điện tử như tranzito, điôt, và mạch tích hợp (IC).
sản xuất thép không gỉ
bơm lốp ô tô và máy bay^[1] do tính trơ và sự thiếu các tính chất ẩm, ôxi hóa của nó, ngược lại với không khí (mặc dù điều này là không quan trọng và cần thiết đối với ô tô thông thường ^[2])

Ngược lại với một số ý kiến, nitơ thẩm thấu qua lốp cao su không chậm hơn không khí. Không khí là hỗn hợp chủ yếu chứa nitơ và ôxy (trong dạng N₂ và O₂), và các phân tử nitơ là nhỏ hơn. Trong các điều kiện tương đương thì các phân tử nhỏ hơn sẽ thẩm thấu qua các vật liệu xốp nhanh hơn.

Một ví dụ khác về tính đa dụng của nó là việc sử dụng nó (như là một chất thay thế được ưa chuộng cho điôxít cacbon) để tạo áp lực cho các thùng chứa một số loại bia, cụ thể là bia đen có độ cồn cao và bia ale của Anh và Scotland, do nó tạo ra ít bọt hơn, điều này làm cho bia nhuyễn và nặng hơn. Một ví dụ khác về việc nạp khí nitơ cho bia ở dạng lon hay chai là bia tươi Guinness.

Nitơ lỏng được sản xuất theo quy mô công nghiệp với một lượng lớn bằng cách chưng cất phân đoạn không khí lỏng và nó thường được nói đến theo công thức giả LN₂. Nó là một tác nhân làm lạnh (cực lạnh), có thể làm cứng ngay lập tức các mô sống khi tiếp xúc với nó. Khi được cách ly thích hợp khỏi nhiệt của môi trường xung quanh thì nó phục vụ như là chất cô đặc và nguồn vận chuyển của nitơ dạng khí mà không cần nén. Ngoài ra, khả năng của nó trong việc duy trì nhiệt độ một cách siêu phàm, do nó bay hơi ở 77 K (-196°C hay -320°F) làm cho nó cực kỳ hữu ích trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn trong vai trò của một chất làm lạnh chu trình mở, bao gồm:

làm lạnh để vận chuyển thực phẩm
bảo quản các bộ phận thân thể cũng như các tế bào tinh trùng và trứng, các mẫu và chế phẩm sinh học.
trong nghiên cứu các tác nhân làm lạnh
để minh họa trong giáo dục
trong da liễu học để loại bỏ các tổn thương da ác tính xấu xí hay tiềm năng gây ung thư, ví dụ các mụn cóc, các vết chai sần trên da v.v.
Nitơ lỏng có thể sử dụng như là nguồn làm mát để tăng tốc CPU, GPU, hay các dạng phần cứng khác.

[sửa] Lịch sử

Nitơ (tiếng Latinh: nitrum, tiếng Hy Lạp: Nitron có nghĩa là "sinh ra sôđa", "nguồn gốc", "tạo thành") về hình thức được coi là được Daniel Rutherford phát hiện năm 1772, ông gọi nó là không khí độc hại hay không khí cố định. Có điều này là do một phần của không khí không hỗ trợ sự cháy đã được các nhà hóa học biết đến vào cuối thế kỷ 18. Nitơ cũng được Carl Wilhelm Scheele, Henry Cavendish và Joseph Priestley nghiên cứu vào cùng khoảng thời gian đó, là những người nói đến nó như là không khí đã cháy hay không khí phlogiston. Khí nitơ là troiư đến mức Antoine Lavoisier coi nó như là azote vào năm 1789, có nghĩa là không có sự sống; thuật ngữ này đã trở thành tên gọi trong tiếng Pháp để chỉ "nitơ" và sau đó đã lan rộng sang nhiều thứ tiếng khác. Năm 1790, Jean Antoine Chaptal đặt ra tên gọi nitrogen để chỉ nitơ.

Các hợp chất của nitơ đã được biết tới từ thời Trung cổ. Các nhà giả kim thuật đã biết axít nitric (HNO₃) như là aqua fortis (tức nước khắc đồng). Hỗn hợp của axít nitric và axít clohiđríc (HCl) được biết đến dưới tên gọi aqua regia (tức nước cường toan), do nó có khả năng hòa tan cả vàng. Các ứng dụng sớm nhất trong công nghiệp và nông nghiệp của các hợp chất nitơ sử dụng nó trong dạng xanpet (có thể là nitrat natri (NaNO₃) hay nitrat kali (KNO₃)), chủ yếu làm thuốc súng và sau đó là làm phân bón, và muộn hơn nữa là để làm hóa chất bổ sung trong thức ăn cho gia súc.

[sửa] Sự phổ biến

Nitơ là thành phần lớn nhất của khí quyển Trái Đất (78,084% theo thể tích hay 75,5% theo trọng lượng). Henry Cavendish là người đã xác định tương đối chính xác thành phần "khí cháy" (ôxy, khoảng 21%) của không khí vào cuối thế kỷ 18. Hơn một thế kỷ sau, người ta xác định phần còn lại ("không cháy") của không khí chủ yếu là nitơ^[1].

Nitơ được sản xuất cho các mục đích công nghiệp nhờ chưng cất phân đoạn không khí lỏng hay bằng các biện pháp cơ học khác đối với không khí ở dạng khí (màng thẩm thấu nghịch áp suất hay PSA (viết tắt của từ tiếng Anh: Pressure Swing Adsorption).

Các hợp chất chứa nitơ cũng được quan sát là có trong vũ trụ. Nitơ N¹⁴ được tạo ra như là một phần của phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các ngôi sao. Nitơ là thành phần lớn của các chất thải động vật (ví dụ phân), thông thường trong dạng urê, axít uric, và các hợp chất của các sản phẩm chứa nitơ này.

Nitơ ở dạng phân tử đã được biết là có trong khí quyển của Titan, và cũng đã được David Knauth và các cộng sự phát hiện là tồn tại trong không gian liên sao nhờ sử dụng FUSE.

[sửa] Các hợp chất

Hiđrua chính của nitơ là amôniắc (NH₃) mặc dù hiđrazin (N₂H₄) cũng được biết đến rất nhiều. Amôniắc là một chất có tính bazơ nhiều hơn nước, và trong dung dịch thì nó tạo ra các cation amôni (NH₄⁺). Amôniắc lỏng trên thực tế là một chất có tính tạo các ion kép (amôni và amit (NH₂^-); cả hai loại muối amit và nitrua (N^3-) đều được biết đến, nhưng đều bị phân hủy trong nước. Các hợp chất của amôniắc bị thay thế đơn và kép được gọi là các amin. Các chuỗi lớn, vòng và cấu trúc khác của hiđrua nitơ cũng được biết đến nhưng trên thực tế không ổn định.

Các lớp anion khác của nitơ là azua (N₃^-), chúng là tuyến tính và đồng electron với điôxít cacbon. Các phân tử khác có cấu trúc tương tự là đinitơ mônôxít (N₂O), hay khí gây cười. Đây là một trong các dạng ôxít của nitơ, nổi bật nhất trong số các ôxít là nitơ mônôxít (NO) và nitơ điôxít (NO₂), cả hai ôxít này đều chứa các điện tử không bắt cặp. Ôxít sau thể hiện một số xu hướng với sự nhị trùng hóa và là thành phần chính trong các loại khói.

Các ôxít tiêu chuẩn hơn là đinitơ triôxít (N₂O₃) và đinitơ pentôxít (N₂O₅), trên thực tế là tương đối không ổn định và là các chất nổ. Các axít tương ứng là axít nitrơ (HNO₂) và axít nitric (HNO₃), với các muối tương ứng được gọi là nitrit và nitrat. Axít nitric là một trong ít các axít mạnh hơn hiđrôni.

[sửa] Vai trò sinh học

Nitơ là thành phần quan trọng của các axít amin và axít nucleic, điều này làm cho nitơ trở thành thiết yếu đối với sự sống. Các cây họ Đậu như đậu tương, có thể hấp thụ nitơ trực tiếp từ không khí do rễ của chúng có các nốt sần chứa các vi khuẩn cố định đạm để chuyển hóa nitơ thành amôniắc. Các cây họ Đậu sau đó sẽ chuyển hóa amôniắc thành các ion ôxít nitơ và các axít amin để tạo ra các protein.

[sửa] Đồng vị

Có hai đồng vị ổn định của nitơ là: N¹⁴ và N¹⁵. Phổ biến nhất là N¹⁴ (99,634%), là đồng vị tạo ra trong chu trình CNO trong các ngôi sao. Phần còn lại là N¹⁵. Trong số 10 đồng vị tổng hợp nhân tạo thì 1 có chu kỳ bán rã là 9 phút còn các đồng vị còn lại có chu kỳ bán rã ở mức độ 1 giây hay nhỏ hơn.

Các phản ứng trung gian sinh học (ví dụ: đồng hóa, nitrat hóa và khử nitrat) kiểm soát chặt chẽ cân bằng động của nitơ trong đất. Các phản ứng này gần như là tạo ra sự làm giàu N¹⁵ trong chất nền và làm suy kiệt sản phẩm. Mặc dù nước mưa chứa các lượng tương đương amônium và nitrat, nhưng do amônium là tương đối khó chuyển hóa/hấp thụ hơn so với nitrat khí quyển nên phần lớn nitơ trong khí quyển chỉ có thể đi vào trong đất dưới dạng nitrat. Nitrat trong đất được các loại rễ cây hấp thụ tốt hơn so với khi nitơ ở dưới dạng amônium.

[sửa] Phòng ngừa

Các chất phân bón chứa nitrat bị rửa trôi là nguồn ô nhiễm chính nước ngầm và các con sông. Các hợp chất chứa xyanua (-CN) tạo ra các muối cực độc hại và gây ra cái chết của nhiều động vật.